关于FPGA在数字信号处理中的应用研究

摘要：数字信号处理是将信号转换成是数字形式的一种方式，为后续工作提供数据保障。在新时代背景下，FPGA芯片在信号处理领域上具有较大优势，逐渐替代传统芯片。本文阐述了FPGA算法结构以及运算方式，并且对FPGA在数字信号处理中的应用进行分析。

关键词：FPGA;数字信号处理;应用研究

前言：数字信号是在1960年-1969年发展起来的，随着信息技术快速发展，一定程度上促使数字信号处理得到较广泛的应用范围，目前，对数字信号处理性能要求较高，传统信号处理一般采用DSP芯片进行处理，但是这种芯片已经无法适应当今快节奏时代的发展需求，由此FPGA应市场需求被研发出来，并且取得了较高的成就，在市场上占据重要地位，具有稳定的发展前景。

一、FPGA算法概述

FPGA是在PAL、GAL等可编程器件的基础上形成的，主要用于集成电路中，属于一种半定制电路。就FPGA来说，在使用过程中不仅可以解决电路问题，同时也能够缓解现有编辑器件电路有限的缺陷。FPGA充分运用了逻辑单元阵列理念，与传统逻辑电路相比具有较高的优势。

（一）数字信号处理系统组成结构

数字信号处理具有一定的优势，比如运算过程复杂、数据量大、具有固定的数据结构等。为此，通常采用单指令对数据流方式进行计算，数据信号处理系统中最大的一个优势就是实时性强，可以同时完成数据的接受和计算工作，算法不同其复发度和输入数据也不同，同时DSP芯片的功能也不相同。就数据控制而言，完成高速实时信号处理方案主要有四种，分别是RISC结构、并行处理、流水处理、阵列处理[1]。数字信号处理系统对硬件選择具有一定的要求，硬件选型主要有先进的EDA技术、专用芯片、高速器件、可编程器件等。现阶段，信号处理系统发展趋势朝着高速运算、吞吐量大、实时处理方向发展，而FPGA诞生能有满足这些要求，这也是FPGA能够被广泛的应用在数字信号处理系统中的一个原因。

（二）FPGA的计算方式

现阶段，能够处理数字信号的技术有很多，针对不同领域都有一定的发展空间，其中DSP和单片机具有较广泛的应用市场，但是就性能而言，DSP与单片机在处理速度上相对于AJD具有一定的差距。在一些领域中对系统处理速度要求较高，但是DSP芯片处理效果并不理想，为此，最佳的解决方式是采用可编程逻辑器件来实现编程，基于硬件列阵之上，充分运用并行处理技术进行数字信号实时处理[2]。在数字信号处理系统中傅里叶变换FFT具有重要作用，通过FPGA来实现FFT算法主要的工作内容就是蝶形处理单元设计，常规的FFT算法采用了FLRXIOK仿真器件来实现数字信号处理，此仿真器件设计的结构能够满足数字信号处理高速的需求，由于这种仿真器件内部是结构具有较强大的内核、高速等性能，FPGA芯片高速运算充分满足FFT算法需求。通过VHDL编程能够有效调动DSP计算单元，使其形成蝶形计算结构，FFT运算方式正是由多个蝶形单元组成的，通过对个蝶形运算反复迭代即可实现FFT算法。

二、FPGA在数字信号处理中的应用分析

（一）音视频领域中FPGA芯片的应用

新时代背景下，新媒体技术得到了快速发展，人们对媒体技术的要求越来越高。新媒体技术不仅可以展示出图片和视频，同时也提出了较高的要求。就视频来说，对清晰度及分辨率都有着较高要求，于图像而言，不仅对图像质量有较高要求，同时也需要图像具备较高的稳定性，并且图像显示的内容还需要具备直观反映出情感的作用。为了能够很好的完成这个目标，必然需要对图像进行特殊处理，包括视频清楚度处理、效果灯处理、特效处理等，传统音视频处理方式已经不能够满足现代发展需求，而FPGA芯片技术处理音视频效果和质量，刚好能够满足音视频的这个需求，可以实现更多创新作品制作，为音视频制作提供很多的效果和风格。基于FPGA芯片上，用户可以根据自身需求制作更多个性化的高性能产品，FPGA芯片也具备提升产品性能的作用[3]。现如今，用户对个性化音视频制作要求越来越高，FPGA芯片在数据信号处理中具有较强的针对分析功能，可以根据具体问题、场景、需求对产品进行处理，进而不断创新音视频，推进市场产品快速更新。在此基础上，FPGA芯片对音视频领域发展起到促进作用，同时也促使信号处理系统进一步提升，促进文化产业稳定发展。

（二）软件无线电领域中FPGA芯片应用

FPGA芯片在数据信号处理中能够对硬件进行重新配置，使其无线设备成为软件无线电，FPGA芯片可以在多中通信下使用，为此目前通信中FPGA芯片被广泛的应用。相对于其他设备而言，软件无线电具有较高灵活性和较低成本等的优势，具有极高的商用价值。通过FPGA芯片可以对软件无线电系带进行改进，因此来实现延长系统的作用，进而实现提高设备性能的目的。并且FPGA芯片在数据信号处理中可以进一步强化处理器之间软件交换的灵活性，保证系统在一个标准上能够准确、快速的朝着另一个标准进行切换，同时确保转化后的数据信号质量。其中还应当重视FPGA处理技术与数字信号处理技术之间的联系，其二者之间可以协同运行，在提升信号处理系统的基础上起到降低数据信号处理成本的作用，也就是说，FPGA技术开创了软件无线电基带发展新途径。

（三）水声信号中FPGA处理技术的应用

水声信号处理的复杂性和难度都比较高，在处理水声信号过程中，对声呐图像分辨率要求较高，为此要想充分展示出水声信号，就需要保障信号处理系统分析数据性能以及图像显示性能良好。传统声呐图像处理过程中，一般使用高度信号处理器，而为了能够达到标准要求，通常采用多片处理器并行的方式进行信号处理，采用这种方式处理数据信号整个过程需要大量的时间和成本，极不利于企业发展，FPGA芯片能够很好解决这个问题[4]。FPGA具备强大的运算功能，对声呐数据信号可以进行精准分析，充分展示出FPGA芯片的独特性。在数据信号处理中应用FPGA芯片能够有效降低重复操作的问题，全面提高信号处理效果。此外，在对水声信号进行处理时，可以采用的数字信号处理技术方法较多，经常使用的有相关运算和数字滤波两种，为水声信号处理方式提供更多处理途径，在未来社会发展中，FPGA芯片具有良好的发展前景。

结论：综上所述，传统数据信号处理芯片已经不能够满足当今需求，促使FPGA芯片发展迅速，FPGA在处理数据信号方面具有极高的应用优势，为此广泛的使用。相对于传统信号处理芯片而言，FPGA芯片具备较高的使用性和灵活性，可以完成更为复杂的运算方式。现阶段FPGA芯片在音视频、软件无线电、水声信号处理中应用比较广泛，一定程度上推进数字信号处理技术升级进程。

参考文献：

[1]陈元. 基于FPGA的大功率电源数据采集与信号处理设计与实现[D].电子科技大学，2021.

[2]宿凌超. 基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器关键技术研究[D].西南科技大学，2021.

[3]孙靖舒.基于DSP和FPGA的通用数字信号处理系统设计[J].电脑知识与技术，2020，16（20）：221-222.

[4]赵晓涛. 基于FPGA的激光导引头数字信号处理系统设计与仿真[D].郑州大学，2020.

作者简介：杨桥，性别：男，1986年5月出生，籍贯：四川省绵阳市学历：本科职称：逻辑工程师，研究方向：FPGA在数据信号处理中的应用

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